JP2015129646A - Radar device and method for measuring distance and speed - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a radar device for measuring the distance and speed of an object with high accuracy at low cost.SOLUTION: A laser beam outputted from a laser 10 is intensity-modulated with a periodic signal from an oscillator 11 by a modulator 12 before being outputted. The periodic signal is a cosine wave, the frequency of which is a minimum value f0 at which a Doppler frequency fd can be measured. The laser beam reflected by an object is subjected to optical heterodyne detection by a multiplexer 16 and a photodetector 17 before being inputted to a BPF 18 and 19, respectively. The electric signal inputted to the BPF 18 is passed for only a band near the frequency f0 and the passed signal is inputted to phase difference detection means 20. A distance is calculated by comparing a difference in phase between the periodic signal from the oscillator 11 and the periodic signal. On the other hand, the electric signal inputted to the BPF 19 is passed for only a band near the fd, and the passed signal is inputted to frequency analysis means 21. Then, a frequency spectrum is calculated, and a speed is calculated from the Doppler frequency fd.

Description

本発明は、レーザー光を対象物に照射し、対象物により反射されたレーザー光を検出して、対象物の距離と速度を測定するレーダ装置に関する。また、その距離速度測定方法に関する。   The present invention relates to a radar apparatus that irradiates an object with laser light, detects the laser light reflected by the object, and measures the distance and speed of the object. The present invention also relates to a distance speed measurement method.

レーザー光を対象物に照射し、対象物によって反射されたレーザー光を受光して解析することにより、対象物の距離および速度を測定するレーダ装置(LIDAR)が従来知られている。距離と速度の測定方式としては、FMCW方式が知られている(たとえば特許文献1)。FMCW方式では、レーザー光を周波数変調して照射し、受光したレーザー光とローカル光とを光ヘテロダイン検波してビート信号を生成し、その周波数解析により距離と速度を求める。   2. Description of the Related Art A radar apparatus (LIDAR) that measures the distance and speed of an object by irradiating the object with laser light and receiving and analyzing the laser light reflected by the object is conventionally known. The FMCW method is known as a distance and speed measurement method (for example, Patent Document 1). In the FMCW system, laser light is frequency-modulated and irradiated, the received laser light and local light are optically heterodyne detected to generate a beat signal, and the distance and speed are obtained by frequency analysis.

特開2001−324563号公報JP 2001-324563 A

しかし、レーザー光を用いたFMCW方式による距離速度の測定では、分解能を高めるためには高速なAD変換器が必要であり、技術的、コスト的な問題があった。   However, in the measurement of distance speed by the FMCW method using laser light, a high-speed AD converter is necessary to increase the resolution, and there are technical and cost problems.

そこで本発明は、安価かつ高精度に距離と速度を測定することができるレーダ装置を実現することが目的である。   Accordingly, an object of the present invention is to realize a radar apparatus that can measure distance and speed at low cost and with high accuracy.

本発明は、対象物にレーザー光を照射し、対象物によって反射されたレーザー光を検出して解析することにより、対象物までの距離および対象物の速度を測定するレーダ装置において、対象物の運動による測定可能なドップラー周波数fdの最小値よりも小さな周波数f0の周期信号で強度変調されたレーザー光を対象物に照射する送信手段と、対象物によって反射されたレーザー光を受信する受信手段と、受信手段により受信したレーザー光と送信前のレーザー光とを合波して光ヘテロダイン検波し、電気信号に変換する検波手段と、検波手段からの電気信号の周波数f0の成分と周期信号との位相差を検出し、対象物までの距離を測定する位相差検出手段と、検波手段からの電気信号を周波数解析してドップラー周波数fdを求め、速度を測定する周波数解析手段と、を有することを特徴とするレーダ装置である。   The present invention relates to a radar apparatus that measures the distance to an object and the speed of the object by irradiating the object with laser light and detecting and analyzing the laser light reflected by the object. Transmitting means for irradiating the object with laser light intensity-modulated with a periodic signal having a frequency f0 smaller than the minimum value of the Doppler frequency fd measurable by movement; and receiving means for receiving the laser light reflected by the object; The detection means for combining the laser light received by the reception means and the laser light before transmission for optical heterodyne detection and converting them into an electrical signal, and the frequency f0 component of the electrical signal from the detection means and the periodic signal A phase difference detecting means for detecting a phase difference and measuring a distance to the object, and an electric signal from the detecting means are subjected to frequency analysis to obtain a Doppler frequency fd. A frequency analysis means for measuring a radar apparatus characterized by having a.

検波手段と位相差検出手段との間に、次のような通過特性を有した第1フィルタを設けルことが望ましい。第1フィルタは、周波数f0以上であってドップラー周波数fd以下である所定周波数をf1として、f1以下の周波数帯域を透過させ他の帯域を遮断して出力するフィルタである。このような第1フィルタを設けることで、位相差検出手段20における信号処理を容易とし、また距離測定精度を向上させることができる。   It is desirable to provide a first filter having the following pass characteristics between the detection means and the phase difference detection means. The first filter is a filter that outputs a frequency band not higher than f1 and passing through a frequency band equal to or lower than f1, with a predetermined frequency not lower than f0 and not higher than Doppler frequency fd being transmitted. By providing such a first filter, signal processing in the phase difference detection means 20 can be facilitated, and distance measurement accuracy can be improved.

検波手段と周波数解析手段との間に、次のような通過特性を有した第2フィルタを設けることが望ましい。第2フィルタは、第2フィルタは、周波数f0以上であってドップラー周波数fd以下である所定周波数をf1、f1以上であってドップラー周波数fd以下の所定周波数をf2として、f2以上の周波数帯域を透過させ他の帯域を遮断して出力するフィルタである。このような第2フィルタを設けることで、周波数解析手段21における信号処理を容易とし、また速度測定精度を向上させることができる。   It is desirable to provide a second filter having the following pass characteristics between the detection means and the frequency analysis means. The second filter passes through a frequency band of f2 or higher, where f1 is a predetermined frequency that is higher than frequency f0 and lower than or equal to Doppler frequency fd, and f2 is predetermined frequency that is higher than or equal to f1 and lower than or equal to Doppler frequency fd. This is a filter that cuts off other bands and outputs the result. By providing such a second filter, signal processing in the frequency analysis means 21 can be facilitated and speed measurement accuracy can be improved.

周期信号は余弦波、矩形波、三角波、ノコギリ波など任意の周期信号を用いることができる。特に、余弦波を用いることが望ましい。測定感度や測定精度を向上させることができる。   As the periodic signal, an arbitrary periodic signal such as a cosine wave, a rectangular wave, a triangular wave, or a sawtooth wave can be used. In particular, it is desirable to use a cosine wave. Measurement sensitivity and measurement accuracy can be improved.

レーダ装置の構成のうち、レーザー光を処理する部分、すなわち、送信手段、受信手段および検波手段は、光集積回路により構成してもよい。本発明のレーダ装置をより安価に実現することができる。   Of the configuration of the radar apparatus, a portion that processes laser light, that is, a transmission unit, a reception unit, and a detection unit may be configured by an optical integrated circuit. The radar apparatus of the present invention can be realized at a lower cost.

速度の方向の測定には、たとえば以下の方法を用いることができる。   For example, the following method can be used for measuring the direction of speed.

1つは、検波手段として、受信手段により受信したレーザー光と送信前のレーザー光とを合波して光ヘテロダイン検波する第1検波手段と、受信手段により受信したレーザー光と送信前のレーザー光のうち一方の位相を90°シフトして合波し、光ヘテロダイン検波する第2検波手段とを有するものを用いる。そして、周波数解析手段は、第1検波手段と第2検波手段からの出力をI信号、Q信号とする複素信号として、その複素信号を周波数解析してドップラー周波数fdを算出する。fdの正負によって速度の方向を求めることができる。   One is a first detecting means for detecting optical heterodyne by combining the laser light received by the receiving means and the laser light before transmission as the detecting means, and the laser light received by the receiving means and the laser light before transmission. Among them, one having a second detection means that shifts one phase by 90 ° and multiplexes and optical heterodyne detection is used. Then, the frequency analysis means calculates a Doppler frequency fd by performing frequency analysis of the complex signal, using the outputs from the first detection means and the second detection means as I signals and Q signals. The direction of speed can be determined by the sign of fd.

他の1つは、受信手段により受信したレーザー光を、そのレーザー光の波長よりも長波長側と短波長側に分離してそれぞれ電気信号に変換し、2つの電気信号の電圧を比較することで、対象物の速度の方向を検出する速度の方向検出手段を設けることである。   The other is that the laser beam received by the receiving means is separated into a longer wavelength side and a shorter wavelength side than the wavelength of the laser beam and converted into an electrical signal, and the voltages of the two electrical signals are compared. Thus, a speed direction detecting means for detecting the speed direction of the object is provided.

他にも、距離を複数回測定し、距離の時間変化から速度の方向を求めてもよい。   Alternatively, the distance may be measured a plurality of times, and the speed direction may be obtained from the time change of the distance.

レーダ装置内部において反射されたレーザー光を受信手段が受信して、距離の測定精度を悪化させてしまう場合があるので、これを補正する手段を設けてもよい。   Since the receiving means may receive the laser beam reflected inside the radar apparatus and the distance measurement accuracy may be deteriorated, a means for correcting this may be provided.

補正手段の1つは、レーダ装置内部でのレーザー光の反射による内部反射信号の値を記録する記録手段を設けることである。そして、位相差検出手段は、記録手段の内部反射信号の値に基づき位相差を補正して対象物までの距離を測定する。   One of the correction means is to provide a recording means for recording the value of the internal reflection signal due to the reflection of the laser light inside the radar apparatus. The phase difference detection unit corrects the phase difference based on the value of the internal reflection signal of the recording unit and measures the distance to the object.

補正手段の他の1つは、レーダ装置内部でのレーザー光の反射による反射光を受信し、その反射光の位相を180°シフトして、受信手段により受信したレーザー光と合波することである。これにより、受信したレーザー光のうち内部反射による成分が打ち消され、対象物からの反射によるレーザー光の成分のみに補正される。   Another one of the correction means is to receive the reflected light due to the reflection of the laser light inside the radar device, shift the phase of the reflected light by 180 °, and combine it with the laser light received by the receiving means. is there. As a result, the component due to internal reflection in the received laser light is canceled out, and only the component of laser light due to reflection from the object is corrected.

レーザー光の強度変調には、外部変調方式を用いてもよいし、直接変調方式を用いてもよい。外部変調方式は、出力されたレーザー光を変調器によって強度変調する方式、直接変調方式は駆動電圧を変調することで強度変調されたレーザー光を直接出力する方式である。   For intensity modulation of laser light, an external modulation method may be used, or a direct modulation method may be used. The external modulation method is a method of intensity-modulating the output laser light by a modulator, and the direct modulation method is a method of directly outputting the intensity-modulated laser light by modulating the drive voltage.

レーダ装置を車載レーダとして用い、速度0.5〜50m/sの対象物を測定対象とする場合、f0は50〜300kHz、レーザーの波長は0.8〜1.7μmとするのがよい。このような範囲であれば、対象物の距離速度を感度よく高精度に測定することができる。   When the radar apparatus is used as an on-vehicle radar and an object having a speed of 0.5 to 50 m / s is to be measured, f0 is preferably 50 to 300 kHz, and the laser wavelength is preferably 0.8 to 1.7 μm. Within such a range, the distance speed of the object can be measured with high sensitivity and high accuracy.

本発明の他の1つは、対象物にレーザー光を照射し、対象物によって反射されたレーザー光を検出して解析することにより、対象物までの距離および対象物の速度を測定する距離速度測定方法において、対象物の運動によるドップラー周波数fdよりも小さな周波数f0の周期信号で強度変調されたレーザー光を対象物に照射し、対象物によって反射されたレーザー光を受信し、受信したレーザー光と送信前のレーザー光とを合波し、光ヘテロダイン検波して電気信号に変換し、電気信号の周波数f0の成分と周期信号との位相差を検出して対象物までの距離を測定し、電気信号を周波数解析してドップラー周波数fdを求め、速度を測定する、ことを特徴とする距離速度測定方法である。   Another aspect of the present invention is a distance speed that measures the distance to the object and the speed of the object by irradiating the object with laser light and detecting and analyzing the laser light reflected by the object. In the measurement method, the object is irradiated with laser light that is intensity-modulated with a periodic signal having a frequency f0 smaller than the Doppler frequency fd due to the movement of the object, the laser light reflected by the object is received, and the received laser light And the laser beam before transmission are combined, optical heterodyne detection is performed to convert the signal into an electric signal, the phase difference between the frequency signal component of the electric signal f0 and the periodic signal is detected, and the distance to the object is measured. A distance speed measurement method characterized in that an electrical signal is subjected to frequency analysis to obtain a Doppler frequency fd and a speed is measured.

本発明のレーダ装置では、レーザー光を強度変調する周期信号の周波数として、ドップラー周波数fdよりも小さな周波数f0に設定している。そのため、距離と速度をそれぞれ分離して測定することができる。また、電気信号をデジタル処理する場合のAD変換器として比較的低速なものを用いることができる。よって本発明のレーダ装置によれば、安価かつ高精度に対象物の距離、速度を測定することができる。   In the radar apparatus of the present invention, the frequency f0 smaller than the Doppler frequency fd is set as the frequency of the periodic signal for intensity-modulating the laser light. Therefore, distance and speed can be measured separately. In addition, a relatively low-speed AD converter can be used when the electrical signal is digitally processed. Therefore, according to the radar apparatus of the present invention, it is possible to measure the distance and speed of an object with low cost and high accuracy.

実施例1のレーダ装置の構成を示した図。1 is a diagram illustrating a configuration of a radar apparatus according to Embodiment 1. FIG. レーザー光および電気信号の波形を示した図。The figure which showed the waveform of a laser beam and an electrical signal. 速度の方向検出手段22の構成を示した図。The figure which showed the structure of the speed direction detection means 22. FIG. 実施例2のレーダ装置の構成を示した図。FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a radar apparatus according to a second embodiment. 変形例のレーダ装置の構成を示した図。The figure which showed the structure of the radar apparatus of a modification. 光集積回路によって構成した例を示した図。The figure which showed the example comprised by the optical integrated circuit. 内部反射光による測定誤差を説明する図。The figure explaining the measurement error by internal reflected light. 変形例のレーダ装置の構成を示した図。The figure which showed the structure of the radar apparatus of a modification. 光集積回路の構成を示した図。The figure which showed the structure of the optical integrated circuit.

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.

図1は、実施例1のレーダ装置の構成を示した図である。図1中、二重線の矢印はレーザー光の経路を示し、一重線の矢印は電気信号の経路を示している。実施例1のレーダ装置は、図1に示すように、レーザー10、発振器11、変調器12、送信手段13、受信手段14、光BPF(バンドパスフィルタ)15、合波器16、光検出器17、LPF(ローパスフィルタ)18、BPF(バンドパスフィルタ)19、位相差検出手段20、周波数解析手段21、速度の方向検出手段22、によって構成されている。BPF18、BPF19は本発明の第1、2フィルタにそれぞれ相当する。以下、各構成要素について詳しく説明する。   FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a radar apparatus according to the first embodiment. In FIG. 1, double-line arrows indicate laser beam paths, and single-line arrows indicate electrical signal paths. As shown in FIG. 1, the radar apparatus according to the first embodiment includes a laser 10, an oscillator 11, a modulator 12, a transmission unit 13, a reception unit 14, an optical BPF (bandpass filter) 15, a multiplexer 16, and a photodetector. 17, LPF (low-pass filter) 18, BPF (band-pass filter) 19, phase difference detection means 20, frequency analysis means 21, and speed direction detection means 22. BPF 18 and BPF 19 correspond to the first and second filters of the present invention, respectively. Hereinafter, each component will be described in detail.

レーザー10は、波長1550nmの連続光であるレーザー光を放射する。レーザー10から出力されるレーザー光は、2つに分配され、一方は変調器12に入力され、他方は合波器16に入力される。   The laser 10 emits laser light that is continuous light having a wavelength of 1550 nm. Laser light output from the laser 10 is divided into two, one input to the modulator 12 and the other input to the multiplexer 16.

レーザー光の波長は1550nmに限らないが、測定精度、発生の容易さ、人体への影響などを考慮して800〜1700nmの範囲とすることが望ましい。   The wavelength of the laser beam is not limited to 1550 nm, but it is desirable that the wavelength be in the range of 800 to 1700 nm in consideration of measurement accuracy, ease of generation, influence on the human body, and the like.

発振器11は、周波数100kHzの余弦波である周期信号を発生させる。この周期信号は、変調器12と位相差検出手段20に入力される。   The oscillator 11 generates a periodic signal that is a cosine wave having a frequency of 100 kHz. This periodic signal is input to the modulator 12 and the phase difference detection means 20.

発振器11の出力する周期信号は、実施例1のように余弦波である必要はなく、周期信号であれば任意の信号でよい。たとえば三角波、矩形波、ノコギリ波などの信号を用いることができる。ただし、測定の感度を高め、測定精度の向上を図るために余弦波を用いることが好ましい。   The periodic signal output from the oscillator 11 does not need to be a cosine wave as in the first embodiment, and may be an arbitrary signal as long as it is a periodic signal. For example, signals such as a triangular wave, a rectangular wave, and a sawtooth wave can be used. However, it is preferable to use a cosine wave in order to increase measurement sensitivity and improve measurement accuracy.

周期信号の周波数は、レーダ装置によって測定を予定している対象物の速度によって決める。詳細には、周期信号の周波数は、対象物の運動によって生じるドップラー周波数fdよりも十分に低い値に設定する。十分に低い値とは、周期信号の周波数とドップラー周波数fdとをフィルタによって分離可能な程度である。このように周期信号の周波数を設定することで、距離と速度の同時測定を容易に可能としている。   The frequency of the periodic signal is determined by the speed of the object scheduled to be measured by the radar device. Specifically, the frequency of the periodic signal is set to a value sufficiently lower than the Doppler frequency fd generated by the motion of the object. The sufficiently low value is such that the frequency of the periodic signal and the Doppler frequency fd can be separated by a filter. By setting the frequency of the periodic signal in this way, it is possible to easily measure the distance and the speed simultaneously.

たとえば、レーダ装置を車両に搭載して車載レーダとして用いる場合、対象物は歩行者や前方車両などである。それらの車両に対する相対速度(すなわちレーダ装置に対する相対速度v)は、およそ0.5m/s〜50m/sであるから、ドップラー周波数fdはfd=2v/λ、ここでλはレーザー光の波長、より0.65〜65MHzである。したがって、周期信号の周波数は650kHzより十分に低い値、たとえば500kHz以下であればよい。つまりはドップラー周波数fdの測定可能な最小値であればよい。ただし、50kHzよりも小さいと、レーザーの線幅よりも小さいため測定精度が悪化してしまい望ましくない。そこで実施例1では100kHzに設定している。   For example, when the radar apparatus is mounted on a vehicle and used as an on-vehicle radar, the target is a pedestrian or a vehicle ahead. Since the relative speed with respect to these vehicles (that is, the relative speed v with respect to the radar device) is approximately 0.5 m / s to 50 m / s, the Doppler frequency fd is fd = 2 v / λ, where λ is the wavelength of the laser beam, From 0.65 to 65 MHz. Therefore, the frequency of the periodic signal may be a value sufficiently lower than 650 kHz, for example, 500 kHz or less. That is, any minimum value that can be measured for the Doppler frequency fd may be used. However, if the frequency is lower than 50 kHz, the measurement accuracy is deteriorated because it is smaller than the line width of the laser, which is not desirable. Therefore, in the first embodiment, the frequency is set to 100 kHz.

変調器12には、レーザー10からのレーザー光と、発振器11からの周期信号が入力される。変調器12は、レーザー光を周期信号で強度変調して出力する。   Laser light from the laser 10 and a periodic signal from the oscillator 11 are input to the modulator 12. The modulator 12 modulates the intensity of the laser beam with a periodic signal and outputs it.

送信手段13は、変調器11からのレーザー光を対象物に照射する光学系であり、レーザー光を所定の方向に導く光導波路やレンズなどによって構成されている。   The transmission means 13 is an optical system that irradiates the object with the laser light from the modulator 11 and is configured by an optical waveguide, a lens, or the like that guides the laser light in a predetermined direction.

受信手段14は、対象物によって反射されたレーザー光を集光して受光する光学系であり、光導波路、集光レンズ、受光したレーザー光の偏光状態を補正する回路などによって構成されている。受光したレーザー光は、光BPF15に入力される。   The receiving unit 14 is an optical system that collects and receives the laser light reflected by the object, and includes an optical waveguide, a condensing lens, a circuit that corrects the polarization state of the received laser light, and the like. The received laser beam is input to the light BPF 15.

なお、送信手段13と受信手段14は、光サーキュレータなどを用いることで送信と受信を共用する送受信手段としてもよい。   The transmission unit 13 and the reception unit 14 may be transmission / reception units that share transmission and reception by using an optical circulator or the like.

光BPF15には、受信手段14からのレーザー光が入力される。光BPF15は、レーザー光の波長帯域は透過させ、他の帯域は透過させない光学フィルタである。光BPF15の出力は合波器16に入力される。この光BPF15により外乱光などをカットしてCN比を改善し、距離、速度の測定精度向上を図っている。   Laser light from the receiving unit 14 is input to the optical BPF 15. The optical BPF 15 is an optical filter that transmits the wavelength band of the laser light and does not transmit the other bands. The output of the optical BPF 15 is input to the multiplexer 16. The light BPF 15 cuts out disturbance light and the like to improve the CN ratio, thereby improving the measurement accuracy of distance and speed.

合波器16には、光BPF15からのレーザー光と、レーザー10からのレーザー光が入力される。合波器16はこの2つのレーザー光を合波して光検出器17に出力する。   A laser beam from the light BPF 15 and a laser beam from the laser 10 are input to the multiplexer 16. The multiplexer 16 multiplexes these two laser beams and outputs them to the photodetector 17.

光検出器17には、合波器16からのレーザー光が入力される。光検出器17は、入力されたレーザー光を光ヘテロダイン検波して電気信号に変換し出力する。光検出器17はフォトダイオードである。光検出器17からの出力は2つに分配され、BPF18とBPF19にそれぞれ入力される。   Laser light from the multiplexer 16 is input to the photodetector 17. The photodetector 17 performs optical heterodyne detection on the input laser light, converts it into an electrical signal, and outputs it. The photodetector 17 is a photodiode. The output from the photodetector 17 is divided into two and input to the BPF 18 and the BPF 19 respectively.

BPF18は、入力された電気信号について、周期信号の周波数近傍、すなわち100kHz近傍(たとえば90〜110kHz)の周波数帯域は通過させ、それ以外の帯域については遮断して出力するフィルタである。BPF18の出力する電気信号は位相差検出手段20に入力される。   The BPF 18 is a filter that passes an input electric signal in the vicinity of the frequency of the periodic signal, that is, a frequency band in the vicinity of 100 kHz (for example, 90 to 110 kHz) and blocks and outputs the other bands. The electric signal output from the BPF 18 is input to the phase difference detection means 20.

なお、BPF18の通過帯域は、発振器11からの周期信号として矩形波、三角波などの高調波を含む波形を用いる場合には、基本周波数よりも高い周波数を含むような範囲とするのが望ましい。また、基本周波数を含む通過帯域であれば、BPF18に替えてローパスフィルタ(LPF)を用いてもよい。たとえば基本周波数100kHzの矩形波を用いる場合、500kHz以下の周波数を通過し、他の帯域は遮断するLPFを用いることができる。   Note that the pass band of the BPF 18 is desirably in a range including a higher frequency than the fundamental frequency when a waveform including harmonics such as a rectangular wave and a triangular wave is used as the periodic signal from the oscillator 11. In addition, a low pass filter (LPF) may be used instead of the BPF 18 as long as it is a pass band including the fundamental frequency. For example, when a rectangular wave having a fundamental frequency of 100 kHz is used, an LPF that passes a frequency of 500 kHz or less and blocks other bands can be used.

BPF19は、入力された電気信号に対して、500kHz以上33Mz以下の周波数帯域は通過させ、それ以外の帯域は遮断して出力するフィルタである。BPF19の出力する電気信号は周波数解析手段21に入力される。   The BPF 19 is a filter that allows an input electric signal to pass through a frequency band of 500 kHz to 33 Mz and blocks and outputs the other bands. The electric signal output from the BPF 19 is input to the frequency analysis means 21.

なお、ドップラー周波数を含む通過帯域であれば、BPF19に替えて(ハイパスフィルタ(HPF)を用いてもよい。ただし、BPF19を用いて通過帯域をより制限する方が、速度をより高精度に求めることができるので望ましい。   If the pass band includes a Doppler frequency, a high pass filter (HPF) may be used instead of the BPF 19. However, if the pass band is further limited using the BPF 19, the speed is obtained with higher accuracy. This is desirable.

BPF18、19は、実施例1のレーダ装置により距離、速度を算出するために必ずしも必要なものではないが、位相差検出手段20、周波数解析手段21における信号処理を容易とし、距離、速度を高精度に測定するためには設けることが望ましい。   The BPFs 18 and 19 are not necessarily required for calculating the distance and speed by the radar apparatus of the first embodiment, but the signal processing in the phase difference detection means 20 and the frequency analysis means 21 is facilitated, and the distance and speed are increased. It is desirable to provide it for accurate measurement.

位相差検出手段20には、BPF18からの電気信号と、発振器11からの周期信号が入力される。位相差検出手段20は、ロックインアンプによる同期検波で入力された2つの信号の位相差を検出し、対象物の距離を測定する。   The phase difference detection means 20 receives an electrical signal from the BPF 18 and a periodic signal from the oscillator 11. The phase difference detection means 20 detects the phase difference between the two signals input by the synchronous detection by the lock-in amplifier, and measures the distance of the object.

周波数解析手段21は、入力された電気信号をAD変換し、FFT(高速フーリエ変換)する。そして、得られた周波数スペクトルからドップラー周波数を検出し、対象物の速度を測定する。速度の向きについては、速度の方向検出手段22によって別途測定する。   The frequency analysis means 21 AD-converts the input electrical signal and performs FFT (Fast Fourier Transform). Then, the Doppler frequency is detected from the obtained frequency spectrum, and the speed of the object is measured. The direction of speed is separately measured by the speed direction detection means 22.

なお、光検出器17とBPF18との間にAD変換器を設け、BPF18以降の信号処理をデジタル処理としてもよいし、BPF18はアナログ処理とし位相差検出手段20にAD変換器を設けて位相差検出手段20での信号処理をデジタル処理としてもよい。同様に、BPF19以降の信号処理をデジタル処理としてもよいし、BPF19はアナログ処理、周波数解析手段21をデジタル処理としてもよい。BPF18、19、位相差検出手段20、および周波数解析手段21は、DSP(デジタルシグナルプロセッサ)により構成してもよい。   An AD converter may be provided between the photodetector 17 and the BPF 18, and the signal processing after the BPF 18 may be digital processing. The BPF 18 may be analog processing and an AD converter may be provided in the phase difference detection means 20 to provide a phase difference. The signal processing in the detection means 20 may be digital processing. Similarly, the signal processing after BPF 19 may be digital processing, or BPF 19 may perform analog processing and frequency analysis means 21 may be digital processing. The BPFs 18 and 19, the phase difference detection unit 20, and the frequency analysis unit 21 may be configured by a DSP (digital signal processor).

速度の方向検出手段22には、光BPF15からのレーザー光が入力される。速度の方向検出手段22は、その入力されたレーザー光から、対象物の速度の方向、つまり対象物がレーダ装置に近づいているのか遠ざかっているのかを測定する。   The laser beam from the light BPF 15 is input to the speed direction detection unit 22. The speed direction detecting means 22 measures the direction of the speed of the object, that is, whether the object is approaching or moving away from the radar apparatus, from the input laser beam.

なお、速度の方向を検出しなくてもよい場合などには速度の方向検出手段22は必要ない。また、速度の方向検出手段22を設けず、距離を複数回測定し、その距離の増減から速度の方向を判定してもよい。   Note that the speed direction detecting means 22 is not necessary when it is not necessary to detect the speed direction. Alternatively, the speed direction detecting means 22 may not be provided, the distance may be measured a plurality of times, and the speed direction may be determined from the increase or decrease in the distance.

次に、実施例1のレーダ装置によって対象物の距離、速度を測定する動作について詳細に説明する。   Next, the operation for measuring the distance and speed of the object by the radar apparatus according to the first embodiment will be described in detail.

レーザー10から出力されるレーザー光は、分配されて一方は変調器12に、他方は合波器16に入力される。変調器12に入力されたレーザー光は、単一周波数の余弦波である発振器11からの周期信号で強度変調されて出力される。図2(a)は周期信号の波形、(b)は強度変調されたレーザー光の波形である。ここで、レーザー光の角周波数をω、周期信号の角周波数をω0とすると、強度変調されたレーザー光は角周波数ω、ω+ω0、ω−ω0の3つの角周波数成分を含む。   Laser light output from the laser 10 is distributed and one is input to the modulator 12 and the other is input to the multiplexer 16. The laser beam input to the modulator 12 is intensity-modulated with a periodic signal from the oscillator 11 that is a cosine wave having a single frequency and output. FIG. 2A shows the waveform of the periodic signal, and FIG. 2B shows the waveform of the intensity-modulated laser beam. Here, if the angular frequency of the laser light is ω and the angular frequency of the periodic signal is ω0, the intensity-modulated laser light includes three angular frequency components of angular frequencies ω, ω + ω0, and ω−ω0.

強度変調されたレーザー光は、送信手段13によってレーダ装置の外部の対象物に照射される。そして、対象物によって反射されたレーザー光は、受信手段14によって受光される。ここで、対象物がレーダ装置に対して相対速度vで運動している場合、受光したレーザー光は、ドップラー効果によって周波数がシフトしている。ドップラー周波数をfdとし、ωd=2π・fdとすれば、v=c・ωd/(2ω)、である。ここでcは光速である。よって、受光したレーザー光の各角周波数成分は、ω+ωd、ω+ωd+ω0、ω+ωd−ω0、の3成分である。なお、ωdの正負は、対象物がレーダ装置に近づく方向を正、遠ざかる方向を負にとる。   The intensity-modulated laser light is applied to an object outside the radar apparatus by the transmission means 13. Then, the laser beam reflected by the object is received by the receiving means 14. Here, when the object is moving at a relative speed v with respect to the radar device, the frequency of the received laser light is shifted by the Doppler effect. If the Doppler frequency is fd and ωd = 2π · fd, then v = c · ωd / (2ω). Here, c is the speed of light. Therefore, each angular frequency component of the received laser light is three components of ω + ωd, ω + ωd + ω0, and ω + ωd−ω0. Note that the sign of ωd is positive in the direction in which the object approaches the radar apparatus and negative in the direction in which the object moves away.

受信手段14によって受光したレーザー光は、光BPF15によって外乱光などがカットされた後、分配されて一方は合波器16においてレーザー10からのレーザー光と合波され、光検出器17に入力される。他方は速度の方向検出手段22に入力される。   Laser light received by the receiving means 14 is distributed after disturbance light or the like is cut by the light BPF 15, and one is combined with the laser light from the laser 10 in the multiplexer 16 and input to the photodetector 17. The The other is input to the speed direction detection means 22.

光検出器17に入力されたレーザー光は光ヘテロダイン検波され、差周波数成分が電気信号として出力される。その角周波数は、ωd、ωd+ω0、ωd−ω0、ω0、2ω0の5つの成分を含む。このように光ヘテロダイン検波を用いることにより、高感度に距離、速度を測定することができる。参考として、以下の信号処理において必要とするωdとω0の2つの成分を有する電気信号の波形を図2(c)に示す。   The laser light input to the photodetector 17 is subjected to optical heterodyne detection, and the difference frequency component is output as an electrical signal. The angular frequency includes five components ωd, ωd + ω0, ωd−ω0, ω0, and 2ω0. Thus, by using optical heterodyne detection, the distance and speed can be measured with high sensitivity. As a reference, FIG. 2C shows a waveform of an electric signal having two components ωd and ω0 required in the following signal processing.

光検出器17から出力された電気信号は、2分配されてBPF18、19にそれぞれ入力される。   The electric signal output from the photodetector 17 is divided into two and input to the BPFs 18 and 19, respectively.

BPF18に入力された電気信号は、角周波数ω0近傍の帯域のみが通過され、他の角周波数成分は遮断される。そして、BPF18を通過した電気信号は位相差検出手段20に入力される。   The electrical signal input to the BPF 18 passes only in the band near the angular frequency ω0, and other angular frequency components are blocked. Then, the electrical signal that has passed through the BPF 18 is input to the phase difference detection means 20.

位相差検出手段20には、発振器11からの周期信号とBPF18からの電気信号が入力される。図2(d)にその電気信号の波形を示す。そして、ロックインアンプによる同期検波でcosΔφとsinΔφ(ここでΔφは周期信号とBPF18からの電気信号との位相差)の直流電圧値が得られ、その値から位相差Δφが算出される。そして、レーダ装置から対象物までの距離Rは、R=c・Δφ/(2ω0)によって算出することができる。ロックインアンプを用いるため、高精度かつ高解像度に位相差Δφを測定することができるので、距離Rも高精度かつ高解像度に測定することができる。またその結果として、電気信号をデジタル処理する場合のAD変換器として比較的低速な機器を用いたとしても、位相差Δφを高精度に求めることができる。   The phase difference detection means 20 receives the periodic signal from the oscillator 11 and the electrical signal from the BPF 18. FIG. 2D shows the waveform of the electric signal. Then, a DC voltage value of cos Δφ and sin Δφ (where Δφ is the phase difference between the periodic signal and the electric signal from the BPF 18) is obtained by synchronous detection by the lock-in amplifier, and the phase difference Δφ is calculated from the value. The distance R from the radar device to the object can be calculated by R = c · Δφ / (2ω0). Since the lock-in amplifier is used, the phase difference Δφ can be measured with high accuracy and high resolution, and therefore the distance R can also be measured with high accuracy and high resolution. As a result, the phase difference Δφ can be obtained with high accuracy even if a relatively low-speed device is used as the AD converter when the electrical signal is digitally processed.

他方、BPF19に入力された電気信号は、角周波数ωd近傍の帯域のみが通過され、他の角周波数成分は遮断される。そして、BPF19を通過した電気信号は周波数解析手段21に入力される。図2(e)にBPF19を通過した電気信号の波形を示す。   On the other hand, the electrical signal input to the BPF 19 passes only through the band near the angular frequency ωd, and other angular frequency components are blocked. The electrical signal that has passed through the BPF 19 is input to the frequency analysis means 21. FIG. 2E shows the waveform of the electrical signal that has passed through the BPF 19.

周波数解析手段21では、以下のようにして入力された電気信号を周波数解析して対象物の速度vを算出する。まず、FFT(高速フーリエ変換)によって入力された電気信号の周波数スペクトルを算出する。そして、その周波数スペクトルのピーク位置からドップラー周波数fd(=ωd/2π)を求める。ドップラー周波数fdが求まると、v=λ・fd/2、ここでλはレーザー10の出力するレーザー光の波長、によって対象物の速度vを算出することができる。   The frequency analysis means 21 calculates the velocity v of the object by performing frequency analysis on the input electrical signal as follows. First, a frequency spectrum of an electric signal input by FFT (Fast Fourier Transform) is calculated. Then, the Doppler frequency fd (= ωd / 2π) is obtained from the peak position of the frequency spectrum. When the Doppler frequency fd is obtained, v = λ · fd / 2, where λ is the wavelength of the laser beam output from the laser 10, and the velocity v of the object can be calculated.

このように、実施例1のレーダ装置では、周期信号の周波数をドップラー周波数よりも低い値とすることで、受信した電気信号を周期信号の周波数と、ドップラー周波数の信号とに分離することを可能とし、それにより位相差検出手段20と周波数解析手段21で距離と速度をそれぞれ測定することができるようにしている。   As described above, in the radar apparatus according to the first embodiment, by setting the frequency of the periodic signal to a value lower than the Doppler frequency, it is possible to separate the received electrical signal into the frequency of the periodic signal and the signal of the Doppler frequency. Thus, the distance and speed can be measured by the phase difference detection means 20 and the frequency analysis means 21, respectively.

なお、周波数解析手段21では速さは測定できるが速度の向き(対象物がレーダ装置に近づいているのか、それとも遠ざかっているのか)は測定することができない。そこで、速度の方向検出手段22によって以下のようにして向きを測定する。   The frequency analysis means 21 can measure the speed, but cannot measure the direction of speed (whether the object is approaching or moving away from the radar apparatus). Therefore, the direction is measured by the speed direction detection means 22 as follows.

速度の方向検出手段22は、受信したレーザー光の波長がレーザー10の発振波長に対して長波長側と短波長側のどちら側にずれているかを測定することにより、速度の方向を測定する。   The velocity direction detection means 22 measures the velocity direction by measuring whether the wavelength of the received laser beam is shifted to the longer wavelength side or the shorter wavelength side with respect to the oscillation wavelength of the laser 10.

図3は、速度の方向検出手段22の具体的な構成を示した図である。図3のように、速度の方向検出手段22は、リング共振器型フィルタ100と、2つのフォトダイオード101、102と、比較器103と、によって構成されている。光BPF15を透過したレーザー光の一部は、速度の方向検出手段22のリング共振器型フィルタ23に入力される。リング共振器型フィルタ23は、入力されたレーザー光をレーザー10の出力波長λを中心として長波長側と短波長側に分離する。そして、長波長側のレーザー光と短波長側のレーザー光とを、それぞれフォトダイオード101、102によって電気信号に変換する。フォトダイオード101、102から出力される電気信号は比較器03に入力される。比較器103では、入力された2つの電気信号の電圧差に応じた出力が得られる。   FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of the speed direction detection means 22. As shown in FIG. 3, the speed direction detection unit 22 includes a ring resonator type filter 100, two photodiodes 101 and 102, and a comparator 103. A part of the laser light transmitted through the light BPF 15 is input to the ring resonator type filter 23 of the velocity direction detection means 22. The ring resonator type filter 23 separates the inputted laser light into a long wavelength side and a short wavelength side around the output wavelength λ of the laser 10. Then, the laser light on the long wavelength side and the laser light on the short wavelength side are converted into electric signals by the photodiodes 101 and 102, respectively. The electrical signals output from the photodiodes 101 and 102 are input to the comparator 03. In the comparator 103, an output corresponding to the voltage difference between the two input electric signals is obtained.

ここで、対象物がレーダ装置に近づく方向に運動している場合、ドップラー効果によりレーザー光の波長は短波長側にシフトし、離れる方向に運動している場合は長波長側にシフトする。そのため、フォトダイオード101、102が出力する電気信号は波長シフトに応じて電圧に差が生じる。長波長側に波長シフトしている場合には、フォトダイオード101からの電気信号の方が電圧が大きくなり、短波長側に波長シフトしている場合には、フォトダイオード102からの電気信号の方が電圧が大きくなる。したがって、比較器103によってどちらの電圧の方が大きいかを検出することで、波長が長波長側と短波長側のどちらにシフトしているかがわかり、対象物の速度の方向がわかる。   Here, when the object is moving in the direction approaching the radar apparatus, the wavelength of the laser light is shifted to the short wavelength side due to the Doppler effect, and when the object is moving in the direction away from the radar apparatus, the wavelength is shifted to the long wavelength side. Therefore, the electrical signals output from the photodiodes 101 and 102 have a difference in voltage according to the wavelength shift. When the wavelength is shifted to the long wavelength side, the voltage of the electric signal from the photodiode 101 is larger, and when the wavelength is shifted to the short wavelength side, the electric signal from the photodiode 102 is larger. Increases the voltage. Therefore, by detecting which voltage is larger by the comparator 103, it can be determined whether the wavelength is shifted to the long wavelength side or the short wavelength side, and the direction of the speed of the object can be determined.

以上、実施例1のレーダ装置によれば、高感度で高精度に対象物の距離、速度を測定することができる。また、デジタル処理する場合のAD変換器として比較的低速な機器を用いることができ、レーダ装置におけるレーザー光の処理部分は光集積回路によってモジュール化することができるため、実施例1のレーダ装置は低コスト化を図ることが容易である。   As described above, according to the radar apparatus of the first embodiment, the distance and speed of the target can be measured with high sensitivity and high accuracy. In addition, since a relatively low-speed device can be used as an AD converter in the case of digital processing, and the laser light processing portion in the radar apparatus can be modularized by an optical integrated circuit, the radar apparatus according to the first embodiment is It is easy to reduce the cost.

図4は、実施例2のレーダ装置の構成を示した図である。実施例2のレーダ装置は、実施例1のレーダ装置において、π/2移相器200、合波器201、光検出器202、BPF203を追加し、周波数解析手段21に替えて周波数解析手段210とし、速度の方向検出手段22を省いた構成である。その他の構成は実施例1と同様である。合波器201、光検出器202、BPF203は、実施例1の合波器16、光検出器17、BPF19と同一性能のものを用いる。以下、実施例1と異なる構成部分について説明するとともに、実施例2のレーダ装置の動作について説明する。   FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of the radar apparatus according to the second embodiment. The radar apparatus according to the second embodiment is the same as the radar apparatus according to the first embodiment except that a π / 2 phase shifter 200, a multiplexer 201, a photodetector 202, and a BPF 203 are added, and the frequency analyzing means 210 is replaced with the frequency analyzing means 21. The speed direction detecting means 22 is omitted. Other configurations are the same as those of the first embodiment. As the multiplexer 201, the photodetector 202, and the BPF 203, those having the same performance as the multiplexer 16, the photodetector 17, and the BPF 19 of the first embodiment are used. Hereinafter, the components different from the first embodiment will be described, and the operation of the radar apparatus of the second embodiment will be described.

レーザー10の出力するレーザー光は分配されて変調器12、合波器16、π/2移相器200に入力される。π/2移相器200には、レーザー10からのレーザー光が入力され、π/2移相して合波器201に出力する。   Laser light output from the laser 10 is distributed and input to the modulator 12, the multiplexer 16, and the π / 2 phase shifter 200. Laser light from the laser 10 is input to the π / 2 phase shifter 200, and π / 2 phase is shifted and output to the multiplexer 201.

光BPF15から出力されたレーザー光は、分配されて合波器16、201に入力される。合波器201には、π/2移相器200からのレーザー光と、光BPF15からのレーザー光が入力され、それらを合波して出力する。   The laser light output from the optical BPF 15 is distributed and input to the multiplexers 16 and 201. The multiplexer 201 receives the laser light from the π / 2 phase shifter 200 and the laser light from the optical BPF 15, multiplexes them, and outputs them.

光検出器202は、入力されたレーザー光を光ヘテロダイン検波して電気信号に変換し、BPF203を介して周波数解析手段210に出力する。また、実施例1と同様に光検出器17は、合波器16から入力されたレーザー光を光ヘテロダイン検波して電気信号に変換し、BPF19を介して周波数解析手段210に出力する。つまり、光検出器17が出力する電気信号はI信号、光検出器202が出力する電気信号はQ信号である。   The photodetector 202 detects the input laser beam by optical heterodyne, converts it into an electrical signal, and outputs it to the frequency analysis means 210 via the BPF 203. Similarly to the first embodiment, the photodetector 17 optically heterodyne-detects the laser beam input from the multiplexer 16 and converts it into an electrical signal, which is output to the frequency analysis means 210 via the BPF 19. That is, the electrical signal output from the photodetector 17 is an I signal, and the electrical signal output from the photodetector 202 is a Q signal.

周波数解析手段210には、BPF19とBPF203からの電気信号(I信号、Q信号)が入力される。周波数解析手段210は、実部をI信号、虚部をQ信号とする複素信号とし、その複素信号をFFTして周波数スペクトルを算出し、その周波数スペクトルのピークから正負を含めたドップラー周波数を算出する。そして、ドップラー周波数の絶対値から速さ、ドップラー周波数の正負から速度の方向を算出する。対象物がレーダ装置に近づいている場合には正のドップラー周波数、遠ざかっている場合には負のドップラー周波数となる。   The frequency analysis means 210 receives electrical signals (I signal and Q signal) from the BPF 19 and the BPF 203. The frequency analysis unit 210 uses a complex signal having a real part as an I signal and an imaginary part as a Q signal, calculates the frequency spectrum by performing FFT on the complex signal, and calculates the Doppler frequency including positive and negative from the peak of the frequency spectrum. To do. Then, the speed is calculated from the absolute value of the Doppler frequency, and the direction of the speed is calculated from the sign of the Doppler frequency. A positive Doppler frequency is obtained when the object is approaching the radar apparatus, and a negative Doppler frequency is obtained when the object is moving away.

なお、対象物までの距離については、実施例1のレーダ装置と同様にして測定する。つまり、BPF18からの電気信号と発振器11からの周期信号との位相差から距離を算出する。   Note that the distance to the object is measured in the same manner as the radar apparatus of the first embodiment. That is, the distance is calculated from the phase difference between the electrical signal from the BPF 18 and the periodic signal from the oscillator 11.

このように、実施例2のレーダ装置では、合波器16と光検出器17によって光ヘテロダイン検波してI信号を生成し、π/2移相器200と合波器201と光検出器202によって、レーザー光のままで位相を90°ずらして光ヘテロダイン検波してQ信号を生成している。つまり、直交検波と光ヘテロダイン検波を同時に行う構成としている。そして、それによって得られるI信号とQ信号とで複素信号を構成してFFTすることにより、ドップラー周波数を正負も含めて算出し、速度とその方向を求めている。   As described above, in the radar apparatus according to the second embodiment, an optical heterodyne detection is performed by the multiplexer 16 and the photodetector 17 to generate an I signal, and the π / 2 phase shifter 200, the multiplexer 201, and the photodetector 202 are generated. Thus, the optical heterodyne detection is performed by shifting the phase by 90 ° with the laser light as it is to generate the Q signal. That is, the configuration is such that orthogonal detection and optical heterodyne detection are performed simultaneously. Then, a complex signal is composed of the I signal and Q signal obtained thereby, and FFT is performed to calculate the Doppler frequency including positive and negative to obtain the speed and its direction.

この実施例2のレーダ装置によれば、実施例1のレーダ装置と同様に、高感度で高精度に対象物の距離、速度を測定することができる。   According to the radar apparatus of the second embodiment, as with the radar apparatus of the first embodiment, the distance and speed of the target can be measured with high sensitivity and high accuracy.

なお、実施例2において光検出器202において光ヘテロダイン検波する際に、レーザー10から出力されるレーザー光側ではなく、受信手段14により受信したレーザー光の方をπ/2移相器200によって位相を90°シフトすることで光検出器202においてQ信号を生成するようにしてもよい。   In the second embodiment, when optical heterodyne detection is performed by the photodetector 202, the laser beam received by the receiving unit 14 is phase-shifted by the π / 2 phase shifter 200 instead of the laser beam output from the laser 10. The Q signal may be generated in the photodetector 202 by shifting the angle by 90 °.

[各種変形例]
速度の方向を検出する手段は、実施例1、2に限るものではなく、従来知られている各種方法を用いることができる。たとえば、距離を複数回測定し、距離の時間変化から速度の方向を求めてもよい。
[Variations]
The means for detecting the speed direction is not limited to the first and second embodiments, and various conventionally known methods can be used. For example, the distance may be measured a plurality of times, and the speed direction may be obtained from the time change of the distance.

また、実施例1、2のレーダ装置は、レーザーからのレーザー光を変調器12によって外部から変調する外部変調方式であるが、レーザーの駆動電流の制御により直接強度変調する直接変調方式にも本発明は適用することができる。   The radar apparatus according to the first and second embodiments is an external modulation method in which laser light from a laser is externally modulated by the modulator 12, but the present invention is also applied to a direct modulation method in which intensity modulation is directly performed by controlling the laser drive current. The invention can be applied.

一例として、図5に、実施例2において外部変調方式から直接変調方式に替えた場合の構成を示す。図5のように、変調器12は省き、レーザー10に替えてレーザー300が設けられている。また、発振器11からの周期信号がレーザー300に入力される。レーザー300は、発振器11からの周期信号に基づき駆動電流を変調し、周期信号で強度変調されたレーザー光を出力する。この変調されたレーザー光は分配されて送信手段13、合波器16、π/2移相器200に入力される。合波器16、201には変調されたレーザー光が入力されるため、光検出器17、202から出力される電気信号には、実施例2の場合以外の周波数成分、ωd+2ω0、ωd−2ω0も含まれる。これらの周波数成分も考慮して補正すれば、実施例2と同様にしてドップラー周波数ωdを算出して対象物の速度を測定することができる。また、光検出器17、202から出力される電気信号のうち、周波数がω0の成分には、発振器11からの周期信号との位相差が生じていない成分も含まれる。したがって、その分の補正を行えば、実施例2と同様に位相差検出手段20における位相差の検出により距離を測定することができる。   As an example, FIG. 5 shows a configuration when the external modulation system is changed to the direct modulation system in the second embodiment. As shown in FIG. 5, the modulator 12 is omitted, and a laser 300 is provided instead of the laser 10. A periodic signal from the oscillator 11 is input to the laser 300. The laser 300 modulates the drive current based on the periodic signal from the oscillator 11 and outputs laser light whose intensity is modulated by the periodic signal. The modulated laser light is distributed and input to the transmission means 13, the multiplexer 16, and the π / 2 phase shifter 200. Since the modulated laser beams are input to the multiplexers 16 and 201, the frequency components other than those in the second embodiment, ωd + 2ω0 and ωd−2ω0 are also included in the electrical signals output from the photodetectors 17 and 202. included. If correction is made in consideration of these frequency components, the Doppler frequency ωd can be calculated in the same manner as in the second embodiment to measure the speed of the object. Of the electrical signals output from the photodetectors 17 and 202, the component having a frequency of ω0 includes a component in which no phase difference from the periodic signal from the oscillator 11 occurs. Therefore, if the correction is performed accordingly, the distance can be measured by detecting the phase difference in the phase difference detecting means 20 as in the second embodiment.

また、実施例1、2のレーダ装置において、レーザー光を処理する構成部分を光集積回路によって構成してもよい。一例として、図6に、実施例2のレーダ装置におけるレーザー光処理部分を光集積回路とした構成を示す。光集積回路の各素子と実施例2の構成要素との対応を説明する。   In the radar apparatus according to the first and second embodiments, the component that processes the laser beam may be configured by an optical integrated circuit. As an example, FIG. 6 shows a configuration in which the laser beam processing portion in the radar apparatus of the second embodiment is an optical integrated circuit. The correspondence between each element of the optical integrated circuit and the components of the second embodiment will be described.

各構成要素を接続する光導波路300には、SiO2 基板上に線路状にSiを形成された構造を用いる。光導波路300を分配するにはカプラ301を用いる。また、変調器12としてリングモジュレータ302を用いる。また、送信手段13として、光導波路300の端面からそのまま外部に放射させる構成としている。受信手段14として、偏光補正回折格子303を用いている。偏光補正回折格子303により受信するレーザー光の偏光状態を補正することで光導波路300との結合を良好としている。また、光BPF15としてはリング共振器304を用いている。π/2移相器200としては光導波路上にヒータを配置し、ヒータの熱により熱光学効果で位置変調するものを用いる。光検出器17、202にはフォトダイオード305を用いている。また、VOA(可変光アッテネータ)306が光導波路300に挿入されており、これによりレーザー10からフォトダイオード305に入力されるレーザー光の強度を調整可能としている。 A structure in which Si is formed in a line shape on a SiO 2 substrate is used for the optical waveguide 300 that connects each component. A coupler 301 is used to distribute the optical waveguide 300. Further, a ring modulator 302 is used as the modulator 12. Further, the transmitting means 13 is configured to radiate to the outside as it is from the end face of the optical waveguide 300. As the receiving means 14, a polarization correction diffraction grating 303 is used. By correcting the polarization state of the laser beam received by the polarization correction diffraction grating 303, the coupling with the optical waveguide 300 is improved. A ring resonator 304 is used as the optical BPF 15. As the π / 2 phase shifter 200, a heater is disposed on the optical waveguide and the position is modulated by the thermo-optic effect by the heat of the heater. A photodiode 305 is used for the photodetectors 17 and 202. Further, a VOA (variable optical attenuator) 306 is inserted into the optical waveguide 300 so that the intensity of the laser light input from the laser 10 to the photodiode 305 can be adjusted.

このように実施例1、2のレーダ装置のレーザー光処理部分を光集積回路としてモジュール化することで、レーダ装置のコストを低減することができる。   As described above, by modularizing the laser light processing portion of the radar apparatus according to the first and second embodiments as an optical integrated circuit, the cost of the radar apparatus can be reduced.

また、実施例1、2のレーダ装置では、レーダ装置内部でのレーザー光の反射光を受信してしまい、測定精度が悪化してしまう場合がある。図7に示すように、実信号に内部反射信号が加わると、実際に測定される測定信号のベクトルは、実信号のベクトルと内部反射信号のベクトルを足し合わせたベクトルである。そのため、測定信号は実信号とは位相が異なる。その結果、距離の測定に誤差を生じてしまう。そこで、内部反射信号とはベクトルが逆向きで大きさの等しい信号を足し合わせることで、実信号を取り出せるように補正することが考えられる。これは、たとえば以下の2通りの方法によって可能である。   Further, in the radar devices of the first and second embodiments, the reflected light of the laser beam inside the radar device is received, and the measurement accuracy may be deteriorated. As shown in FIG. 7, when the internal reflection signal is added to the real signal, the vector of the measurement signal actually measured is a vector obtained by adding the vector of the real signal and the vector of the internal reflection signal. Therefore, the measurement signal is different in phase from the actual signal. As a result, an error occurs in the distance measurement. Therefore, it is conceivable to correct the internal reflection signal so that the actual signal can be extracted by adding together signals having opposite vectors and the same magnitude. This is possible, for example, by the following two methods.

1つは、内部反射信号の値を記録しておき、測定信号から差し引くことで実信号とする方法である。内部反射信号は、レーザ装置の構造やレーザ装置の設置環境などに起因するもので、常時一定の値をとる。そこで、内部反射信号の値を工場出荷時などに記録手段に記録しておき、その値を位相差検出手段20において差し引くことで実信号に補正することができる。図8は、そのような記録手段400を実施例2のレーダ装置に設けた例である。たとえば、位相差検出手段20におけるロックインアンプからの出力であるcosΔφ、sinΔφから、記録手段400が保持する補正データα、βを差し引いてcosΔφ−α、sinΔφ−βとすることで補正を行う。   One is a method of recording the value of the internal reflection signal and subtracting it from the measurement signal to obtain a real signal. The internal reflection signal is caused by the structure of the laser device or the installation environment of the laser device, and always takes a constant value. Therefore, the value of the internal reflection signal is recorded in the recording means at the time of shipment from the factory and the value is subtracted by the phase difference detecting means 20 to correct it to an actual signal. FIG. 8 shows an example in which such a recording unit 400 is provided in the radar apparatus of the second embodiment. For example, the correction is performed by subtracting the correction data α and β held by the recording unit 400 from cos Δφ and sin Δφ which are outputs from the lock-in amplifier in the phase difference detection unit 20 to obtain cos Δφ-α and sin Δφ-β.

他の1つは、内部反射による反射光を別途受信し、位相を180°シフトしてから、受信したレーザー光と合波する方法である。レーザー光の段階で補正を行うため、高感度である。図9は、そのような補正手段を図6の光集積回路に付加したものである。図9のように、レンズ500と、偏光補正回折格子501と、フィルタ502、VOA503と、カプラ504をさらに有している。レンズ500は、レーダ装置内部で反射するレーザー光(反射光)を集光して偏光補正回折格子501に入射させるものである。偏光補正回折格子501によって偏光状態が補正された反射光はフィルタ502を通過した後、VOA503によって光強度が調整され、かつ位相が180°シフトされる。そして、カプラ504によって、フィルタ304を通過したレーザー光と合波される。これにより、受信したレーザー光のうち反射光の成分が打ち消され、対象物からの反射光の成分のみに補正することができる。   The other is a method of separately receiving reflected light due to internal reflection, shifting the phase by 180 °, and then combining the received laser light. Since correction is performed at the stage of laser light, it is highly sensitive. FIG. 9 is obtained by adding such correction means to the optical integrated circuit of FIG. As shown in FIG. 9, it further includes a lens 500, a polarization correction diffraction grating 501, a filter 502, a VOA 503, and a coupler 504. The lens 500 collects laser light (reflected light) reflected inside the radar apparatus and makes it incident on the polarization correction diffraction grating 501. The reflected light whose polarization state is corrected by the polarization correction diffraction grating 501 passes through the filter 502, and then the light intensity is adjusted by the VOA 503 and the phase is shifted by 180 °. Then, the laser beam that has passed through the filter 304 is multiplexed by the coupler 504. As a result, the reflected light component of the received laser light is canceled, and correction can be made only to the reflected light component from the object.

また、本発明のレーダ装置を車載レーダとして使用する場合、対象物は歩行者や前方車両などであり、その速度はおよそ0.5〜50m/sである。このとき、発振器11からの周期信号の周波数f0は50〜300kHz、レーザーの波長は800〜1700nmとすることで、制度よく対象物の距離、速度を測定することができる。   Moreover, when using the radar apparatus of this invention as a vehicle-mounted radar, a target object is a pedestrian, a front vehicle, etc., and the speed is about 0.5-50 m / s. At this time, the frequency f0 of the periodic signal from the oscillator 11 is 50 to 300 kHz, and the wavelength of the laser is 800 to 1700 nm, so that the distance and speed of the object can be measured systematically.

本発明のレーダ装置は、車載レーダなどに用いることができ、歩行者などの検出を行うことができる。   The radar apparatus of the present invention can be used for in-vehicle radar and the like, and can detect pedestrians and the like.

10:レーザー
11:発振器
12:変調器
13:送信手段
14:受信手段
15:光BPF
16、201:合波器
17、202:光検出器
18、19、203:BPF
20:位相検出手段
21、210:周波数解析手段
22:速度の方向検出手段
200:π/2移相器
400:記録手段
10: Laser 11: Oscillator 12: Modulator 13: Transmitting means 14: Receiving means 15: Optical BPF
16, 201: multiplexer 17, 202: photodetector 18, 19, 203: BPF
20: Phase detection means 21, 210: Frequency analysis means 22: Speed direction detection means 200: π / 2 phase shifter 400: Recording means

Claims (13)

対象物にレーザー光を照射し、前記対象物によって反射されたレーザー光を検出して解析することにより、前記対象物までの距離および前記対象物の速度を測定するレーダ装置において、
前記対象物の運動による測定可能なドップラー周波数fdの最小値よりも小さな周波数f0の周期信号で強度変調されたレーザー光を前記対象物に照射する送信手段と、
対象物によって反射された前記レーザー光を受信する受信手段と、
前記受信手段により受信した前記レーザー光と送信前のレーザー光とを合波して光ヘテロダイン検波し、電気信号に変換する検波手段と、
前記検波手段からの前記電気信号の周波数f0の成分と前記周期信号との位相差を検出し、前記対象物までの距離を測定する位相差検出手段と、
前記検波手段からの前記電気信号を周波数解析してドップラー周波数fdを求め、速度を測定する周波数解析手段と、
を有することを特徴とするレーダ装置。
In a radar apparatus that measures the distance to the object and the speed of the object by irradiating the object with laser light and detecting and analyzing the laser light reflected by the object,
Transmitting means for irradiating the object with laser light intensity-modulated with a periodic signal having a frequency f0 smaller than the minimum measurable Doppler frequency fd by the movement of the object;
Receiving means for receiving the laser light reflected by the object;
Detecting means for combining the laser light received by the receiving means and the laser light before transmission to detect optical heterodyne and convert it into an electrical signal;
A phase difference detection means for detecting a phase difference between the frequency signal component of the electrical signal from the detection means and the periodic signal and measuring a distance to the object;
Frequency analysis means for obtaining a Doppler frequency fd by frequency-analyzing the electrical signal from the detection means and measuring speed;
A radar apparatus comprising:
前記検波手段と前記位相差検出手段との間に第1フィルタを有し、
前記第1フィルタは、周波数f0以上であってドップラー周波数fd以下である所定周波数をf1として、f1以下の周波数帯域を透過させ他の帯域を遮断して出力する、
ことを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
A first filter between the detection means and the phase difference detection means;
The first filter sets a predetermined frequency that is equal to or higher than the frequency f0 and equal to or lower than the Doppler frequency fd as f1, transmits a frequency band equal to or lower than f1, and blocks and outputs the other bands.
The radar apparatus according to claim 1.
前記検波手段と前記周波数解析手段との間に第2フィルタを有し、
前記第2フィルタは、周波数f0以上であってドップラー周波数fd以下である所定周波数をf1、f1以上であってドップラー周波数fd以下の所定周波数をf2として、f2以上の周波数帯域を透過させ他の帯域を遮断して出力する、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーダ装置。
Having a second filter between the detection means and the frequency analysis means;
The second filter has a predetermined frequency that is equal to or higher than the frequency f0 and equal to or lower than the Doppler frequency fd as f1, a predetermined frequency that is equal to or higher than f1 and equal to or lower than the Doppler frequency fd as f2, and transmits the frequency band equal to or higher than f2 to other bands. Shut off and output,
The radar apparatus according to claim 1 or 2, wherein
前記周期信号は余弦波であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のレーダ装置。   The radar apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the periodic signal is a cosine wave. 前記送信手段、前記受信手段および前記検波手段は、光集積回路により構成されている、ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のレーダ装置。   The radar apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the transmission unit, the reception unit, and the detection unit are configured by an optical integrated circuit. 前記検波手段は、前記受信手段により受信した前記レーザー光と送信前のレーザー光とを合波して光ヘテロダイン検波する第1検波手段と、前記受信手段により受信した前記レーザー光と送信前のレーザー光のうち一方の位相を90°シフトして合波し、光ヘテロダイン検波する第2検波手段とを有し、
前記周波数解析手段は、前記第1検波手段と前記第2検波手段からの出力をI信号、Q信号とする複素信号として、その複素信号を周波数解析し、ドップラー周波数fdから速さを求めるとともにドップラー周波数fdの正負によって速度の向きを検出する、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のレーダ装置。
The detecting means combines first laser light received by the receiving means and laser light before transmission to detect optical heterodyne, and the laser light received by the receiving means and laser before transmission. A second detection means for shifting one phase of the light by 90 ° to multiplex, and optical heterodyne detection;
The frequency analyzing means analyzes the frequency of the complex signal by using the outputs from the first detecting means and the second detecting means as I signals and Q signals, and obtains the speed from the Doppler frequency fd. The direction of speed is detected by the sign of frequency fd.
The radar apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the radar apparatus is characterized in that:
前記受信手段により受信した前記レーザー光を、そのレーザー光の波長よりも長波長側と短波長側に分離してそれぞれ電気信号に変換し、2つの電気信号の電圧を比較することで、前記対象物の速度の方向を検出する速度の方向検出手段をさらに有する、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のレーダ装置。
The laser light received by the receiving means is separated into a longer wavelength side and a shorter wavelength side than the wavelength of the laser light, respectively converted into an electric signal, and the voltage of two electric signals is compared, thereby the object A speed direction detecting means for detecting a speed direction of the object;
The radar apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the radar apparatus is characterized in that:
レーダ装置内部でのレーザー光の反射による内部反射信号の値を記録する記録手段をさらに有し、
前記位相差検出手段は、前記記録手段の前記内部反射信号の値に基づき位相差を補正して前記対象物までの距離を測定する、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のレーダ装置。
It further comprises recording means for recording the value of the internal reflection signal due to the reflection of the laser light inside the radar device,
The phase difference detection means corrects the phase difference based on the value of the internal reflection signal of the recording means and measures the distance to the object.
The radar apparatus according to claim 1, wherein the radar apparatus is characterized.
レーダ装置内部でのレーザー光の反射による反射光を受信し、その反射光の位相を180°シフトして合波することにより、前記受信手段により受信したレーザー光を補正する補正手段をさらに有する、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のレーダ装置。
A correction unit that corrects the laser beam received by the receiving unit by receiving the reflected light due to the reflection of the laser beam inside the radar apparatus and shifting the phase of the reflected light by 180 ° and combining the received light;
The radar apparatus according to claim 1, wherein the radar apparatus is characterized.
変調器によってレーザー光を強度変調する外部変調方式であることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載のレーダ装置。   The radar apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the radar apparatus is an external modulation system in which laser light is intensity-modulated by a modulator. 駆動電圧の変調によって強度変調されたレーザー光を生成する直接変調方式であることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載のレーダ装置。   10. The radar apparatus according to claim 1, wherein the radar apparatus is a direct modulation system that generates laser light that is intensity-modulated by modulation of a drive voltage. 前記レーダ装置は車載レーダであって速度0.5〜50m/sの対象物を測定対象とし、f0は50〜300kHz、レーザーの波長は0.8〜1.7μmである、ことを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか1項に記載のレーダ装置。   The radar device is an on-vehicle radar, and an object having a speed of 0.5 to 50 m / s is measured, f0 is 50 to 300 kHz, and a laser wavelength is 0.8 to 1.7 μm. The radar device according to any one of claims 1 to 11. 対象物にレーザー光を照射し、前記対象物によって反射されたレーザー光を検出して解析することにより、前記対象物までの距離および前記対象物の速度を測定する距離速度測定方法において、
前記対象物の運動による測定可能なドップラー周波数fdの最小値よりも小さな周波数f0の周期信号で強度変調されたレーザー光を前記対象物に照射し、
対象物によって反射された前記レーザー光を受信し、
受信した前記レーザー光と送信前のレーザー光とを合波し、光ヘテロダイン検波して電気信号に変換し、
前記電気信号の周波数f0の成分と前記周期信号との位相差を検出して前記対象物までの距離を測定し、
前記電気信号を周波数解析してドップラー周波数fdを求め、速度を測定する、
ことを特徴とする距離速度測定方法。
In the distance-velocity measuring method for measuring the distance to the object and the speed of the object by irradiating the object with laser light and detecting and analyzing the laser light reflected by the object,
Irradiating the object with laser light intensity-modulated with a periodic signal having a frequency f0 smaller than a minimum value of the Doppler frequency fd that can be measured by the movement of the object;
Receiving the laser light reflected by the object;
The received laser beam and the laser beam before transmission are combined, optical heterodyne detection is performed and converted into an electrical signal,
Detecting the phase difference between the frequency signal component of the electrical signal f0 and the periodic signal to measure the distance to the object;
Frequency analysis of the electrical signal to obtain a Doppler frequency fd and to measure the speed;
A distance speed measurement method characterized by the above.
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